首页 > 专利信息

土壤有机碳稳定碳同位素的影响(1沈阳农业大学生物科学技术学院,

模拟增温对长白山北坡垂直样带森林

土壤有机碳稳定碳同位素的影响

樊金娟1

　孟宪菁1,2

　张心昱

233

　孙晓敏2　高鲁鹏

2,3

(1沈阳农业大学生物科学技术学院，沈阳110161;2

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验

室CERN 水分分中心，北京100101;

国家科技基础条件平台中心，北京100862)

摘　要　分析了长白山北坡垂直样带3种典型原始森林地表凋落物及不同粒径土壤组分中

有机质的δ13

C 值，并将在岳桦林样地(E B ，海拔1996m )采集的20c m 土柱分别置换到云冷杉林(SF，海拔1350m )和阔叶红松林(P B ，海拔740m )，云冷杉林样地采集的土柱置换到阔叶

红松林中，进行为期1年的野外模拟增温试验.结果表明:3种林型土壤的δ13

C 值均显著高于

凋落物的δ13C 值，凋落物和土壤有机质中的δ13

C 值由地表凋落物向土壤下层逐渐增加，而土

壤粒径中有机质的δ13C 值随粒径减小而增大.3种林型中，凋落物δ13

C 值变化趋势为云冷杉

林(-2813‰)>阔叶红松林(-2910‰)>岳桦林(-2916‰)，而土壤有机质的δ13

C 值变化趋势为岳桦林(-2515‰)>阔叶红松林(-2518‰)>云冷杉林(-2612‰).在土壤温度增

加017℃～219℃条件下，土壤及其各粒级的δ13

C 值均呈下降趋势，而且<2μm 粘粒和2～

63μm 粉粒δ13C 值的降幅(0148‰和0147‰)高于>63μm 砂粒δ13

C 值的降幅(0133‰).未来气候变暖可能对储藏在细小颗粒中年龄较长的有机碳带来较大的影响.

关键词　长白山　垂直样带　稳定碳同位素　模拟增温　土柱置换试验　土壤粒级3国家自然科学基金面上项目(40701186,30600091)和中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX22Y W 2433201)资助.33通讯作者.E 2mail:zhangxy@igsnrr .ac 2009212208收稿,2010205209接受.

文章编号　1001-9332(2010)07-1621-06　中图分类号　S15411　文献标识码　A Forest so il organ i c ma tter δ13

C a long a a ltitud i n a l tran sect on northern slope of Changba i

M oun t a i n s under effects of si m ul a ted war m i n g .F AN J in 2juan 1,MENG Xian 2jing 1,2

,ZHANG

Xin 2yu 2,S UN Xiao 2m in 2,G AO Lu 2peng 2,3(1取石网篮

College of B iotechnology,Shenyang A gricultural U ni 2

versity,Shenyang 110161,China;2

S ub 2Cen ter forW aterM on itoring and R esearch,Chinese Ecosys 2

te m R esea rch N et w ork,Key L abora tory of Ecosyste m N et w ork O bservation and M odeling,Institute of Geographic Sciences and N atura l R esou rces R esearch,Chinese A cade m y of S ciences,B eijing 100101,

China;3

N ationa l Science and Technology Infrastructure Center ,B eijing 100862,China ).2Chin .J.A ppl .Eco

l .,2010,21(7):1621-1626.

Abstract:The litters,bulk s oils,and s oil particle 2size fracti ons were sa mp led fr om three typ ical natural f orests,i .e .,br oadleaf Korean p ine (P inus kora iensis )m ixed f orest (P B ,altitude 740m ),s p ruce 2fir (P icea asperata 2A bies nephrolepis )f orest (SF,altitude 1350m ),and Er man ’s birch (B etula er m anii )f orest (E B ,altitude 1996m ),on the northern sl ope of ChangbaiMountains

t o analyze their organic matter δ13

C values,and the intact s oil cores (20c m dep th )fr om EB (high

altitude )were rel ocated t o P B and SF (l o w altitudes )for a year t o study the res ponses of the δ13

values t o si m ulated war m ing .It was shown that the litters had a significantly l ower δ13

C value than

the s oils,and the δ13

C values of the litters and s oils increased down ward thr ough the litter 2and s oil

layers in all the three typ ical forest types .Soil particle 2size fracti ons had an increased δ13

C value

with decreasing particle size fracti ons .The δ13

C value of the litters was in the order of SF (-2813‰)>P B (-2910‰)>E B (-2916‰),while that of the s oils was in the order of E B (-2515‰)>P B (-2518‰)>SF (-2612‰).Over one 2year s oil war m ing (an incre ment of

017℃-219℃),the δ13

C values of the bulk s oils and s oil particle 2size fracti ons all p resented a

应用生态学报　2010年7月　第21卷　第7期　

Chinese Journal of App lied Ecol ogy,Jul .2010,21(7):1621-1626

decreasing trend,and the decre ment of theδ13C value was larger in<2μm(0148‰)and2-63

μm fracti ons(0147‰)than in>63μm fracti on(0133‰).The results suggested that cli m ate war2

m ing could have great effects on the older organic carbon ass ociated with fine s oil particle2size frac2

ti ons.

Key words:ChangbaiMountains;altitudinal transect;stable carbon is ot ope;si m ulated war m ing;

s oil core rel ocati on ex peri m ent;s oil particle2size fracti on.

温室气体排放导致全球气候变暖已成公认事

实.I PCC第3次评估报告指出，过去100年来，中国

东北地区温度升高了117℃，未来50～100年全球

平均温度将升高115℃～415℃[1].气候变暖对陆

地生态系统影响受到广泛关注，而利用土柱在自然

气候变化梯度上进行置换试验是廉价、易操作、有效

的增温模拟研究方法，为研究气候变暖对陆地生态

系统凋落物和土壤的影响提供了有效手段[2-3].

全球温带森林生态系统土壤碳储量为10413×

1015g[4]，在调节全球碳平衡中具有重要作用.目前

稳定碳同位素在植物2土壤生态系统碳循环研究中

得到广泛应用[5-6]，是定量研究与气候变化、土地利

耐高温盘根

用变化相关的C

3、C

植物之间演替历史和土壤碳更

新历史的有效手段[7-8]；与有机碳分组技术[9]、土壤粒级分类技术[5,10]相结合，可以量化土壤有机

碳分解速率及不同年龄有机碳分布状况.已有研究表明，高等植物叶片δ13C值在垂直样带上的分布规律很可能与温度变化有关[11-12].而土壤有机质δ13C值在垂直梯度带的分布状况是否也与温度有关?土壤及其各粒级组分中有机质δ13C值对温度升高的响应如何?这些问题对研究气候变化下陆地生态系统碳周转和碳平衡具有重要意义.本试验选择长白山北坡垂直样带阔叶红松林(海拔740m)、云冷杉林(海拔1350m)、岳桦林(海拔1996m)3种典型温带原始森林土壤，并将土柱从高海拔样地向低海拔样地做置换试验，探讨了3种原始森林地表凋落物和土壤δ13C值在自然垂直样带、不同土壤粒级分布状况及其对土柱置换模拟增温的响应，旨在为未来全球变暖情景下森林土壤碳循环提供基础数据.

1　研究地区与研究方法

111　研究区概况

本试验在位于长白山北坡的长白山自然保护区(42°24′N,128°28′E)内进行，其植被随着海拔高度的变化呈完整的垂直带谱，自下而上分布着阔叶红松林、云冷杉林和岳桦林.阔叶红松林分布在海拔600～1100m，年均气温019℃～319℃，年均降水量为700mm，主要乔木为红松(P inus koraiensis)、椴树(Tilia am u rensis)、水曲柳(F raxinus m andshurica)等，黄土母质，土壤类型为暗棕森林土.云冷杉林分布在海拔1100～1700m，年均气温为-213℃～019℃，年均降水量为800mm，主要乔木为鱼鳞云杉(P icea jezoensis)、红皮云杉(P icea koyam a i var. kora iensis)和臭冷杉(A bies neephrolepis)等，

火山灰沙母质，土壤类型为棕针叶林土.岳桦林分布在海拔1700～2000m，年均气温为-312℃～-213℃，年均降水量在1000～1400mm，乔木主要为岳桦(B et2 u la er m anii)，火山灰沙和坡积石砾母质，土壤类型为山地生草森林土[13].

112　研究方法

11211样地布置与土柱置换试验　2007年6月8日，在长白山北坡阔叶红松林、云冷杉林和岳桦林各设置5个3m×3m样方(3个为对照,2个用作采集或安置土柱)，样方间距2m.用直径30c m、高30c m P VC管采集高海拔样地土壤土柱，并保持地表凋落物原状，然后安置到低海拔样地事先挖好的土坑中，将土柱四周压实，同时保持样方微地形不变.在1个云冷杉林样方中采集8个土柱，安置到阔叶红松林样方中；在2个岳桦林样方采集土柱，分别安置到云冷杉林样方(8个)和阔叶红松林样方(8个). 11212样品采集　2007年6月9日，在上述9个对照样方中采集凋落物和土壤样品，用0133m×0133m的标准框采集未分解和已分解凋落物，每个样方中采集3个标准框样品混匀，用直径为215c m 的土钻采集0～10c m和10～20c m土壤，每个样方中采集6钻土壤混匀.2008年8月12日采集9个对照样方中0～10c m和10～20c m土壤，同时，在每个埋设土柱样方中随机选择3个土柱，移除覆盖其上的凋落物，采集土柱中0～10c m和10～20c m土壤.共采集18个凋落物样品和54个土壤样品.凋落物立即自然风干，土壤需剔除植物残体和细根，过2mm筛，密封并低温冷藏.

11213测定方法　5c m土层温度使用数字测温仪测定.0～20c m土壤湿度采用铝盒烘干法.将2007年

2261应　用　生　态　学　报　21卷

采集的凋落物和土壤样品磨碎，过0115mm 筛.将2008年采集的相同类型的3个土壤样品各称取20g 后，均匀混合，自然风干，取部分土样磨碎，过0115mm 筛，另一部分用于土壤不同粒径组分的物理分级.土壤颗粒分级采用湿筛法分离>1000μm 、500～1000μm 和63～500μm 的砂粒部分，吸管法

分离2～63μm 粉粒和<2μm 的粘粒部分[14]

，所有组分60℃烘干，过0115mm 筛.用MAT253型稳定同位素质谱仪(美国热电公司Ther mo Scientific )测定总有机碳(T OC )、全氮(T N )和稳定C 同位素组成(δ13C 值).供试凋落物和土壤的δ13C 值以千分比(‰)为单位，采用P DB (pee dee bele mnite )标准，分析误差<011‰.部分土壤和凋落物数据见表1和参考文献[15].113　数据处理

所有数据分析均采用SPSS 1310软件中LS D 进

行多重比较,Paired T 2Test 进行配对比较，用Pears on